С давних времен человечество осознавало, насколько важна кровь для жизни. Натуралисты тысячи лет размышляли об источнике кровоснабжения организма. В течение нескольких веков считалось, что печень является местом, где образуется кровь. Однако в 1868 году немецкий патолог Эрнст Нойман обнаружил незрелые клетки-предшественники в костном мозге, которые оказались фактическим местом образования клеток крови, также известного как гематопоэз. Кроветворение было первым процессом, для которого ученые сформулировали и доказали теорию о том, что стволовые клетки являются общим источником, который дает начало различным типам зрелых клеток.
"Однако проблема почти всех исследований гемопоэза в последние десятилетия заключается в том, что они ограничиваются экспериментами в культуре или с использованием трансплантации мышам," говорит профессор Ханс-Реймер Родевальд из Немецкого центра исследования рака (Deutsches Krebsforschungszentrum, DKFZ). "Теперь мы разработали первую модель, в которой мы можем наблюдать развитие стволовой клетки в зрелую клетку крови в живом организме."
Доктор. Катрин Буш из команды Родевальда разработала генетически модифицированных мышей, введя в их стволовые клетки крови белок, который посылает желтый флуоресцентный сигнал. Этот флуоресцентный маркер можно включить в любое время, введя животному определенный реагент. Соответственно, все дочерние клетки, которые возникают из клетки, содержащей маркер, также посылают световой сигнал.
Когда Буш включил маркер у взрослых животных, стало видно, что по крайней мере одна треть (примерно 5000 клеток) гемопоэтических стволовых клеток мыши продуцирует дифференцированные клетки-предшественники. "Это был первый сюрприз," говорит Буш. "До сих пор ученые считали, что в нормальном состоянии очень немногие стволовые клетки – всего около десяти – активно участвуют в кроветворении."
Однако для того, чтобы флуоресцентный маркер равномерно распространился по клеткам периферической крови, требуется очень много времени, которое даже превышает продолжительность жизни мыши. Системный биолог Проф. Томас Хёфер и его коллеги (также из DKFZ) выполнили математический анализ этих экспериментальных данных, чтобы получить дополнительное представление о динамике стволовых клеток крови. Их анализ показал, что, что удивительно, в нормальных условиях восполнение запасов клеток крови не осуществляется самими стволовыми клетками. Вместо этого они фактически поставляются первыми клетками-предшественниками, которые развиваются на следующем этапе дифференцировки. Эти клетки способны долгое время восстанавливать себя, хотя и не так долго, как стволовые. Чтобы гарантировать, что популяция этого типа клеток никогда не иссякнет, стволовые клетки крови должны время от времени производить пару новых первых предшественников.
Однако во время эмбрионального развития мышей ситуация иная: для построения системы все зрелые клетки крови и иммунные клетки развиваются гораздо быстрее и почти полностью из стволовых клеток.
Исследователи также смогли ускорить этот процесс у взрослых животных за счет искусственного истощения их лейкоцитов. В этих условиях стволовые клетки крови увеличивают образование первых клеток-предшественников, которые затем немедленно начинают поставлять новые зрелые клетки крови. В этом процессе образуется в несколько сотен раз больше клеток так называемого миелоидного происхождения (тромбоцитов, эритроцитов, гранулоцитов, моноцитов), чем образуется долгоживущих лимфоцитов (Т-клетки, В-клетки, естественные клетки-киллеры).
"Когда мы трансплантировали наши меченые стволовые клетки крови из костного мозга другим мышам, только несколько стволовых клеток были активны у реципиентов, а многие стволовые клетки были потеряны," Родевальд объясняет. "Таким образом, наши новые данные показывают, что результаты, полученные до настоящего времени с использованием трансплантированных стволовых клеток, определенно не могут отражать нормальный гемопоэз. Напротив, трансплантация – исключение [из правила]. Это показывает, насколько важно, чтобы мы действительно следили за кроветворением в нормальных условиях живого организма."
Ученые из отдела Родевальда, работающие вместе с Томасом Хёфером, теперь также планируют использовать новую модель для исследования влияния патогенных факторов на образование крови: например, при раке, кахексии или инфекции. Этот метод также позволит им подробно отслеживать потенциальные процессы старения, которые происходят в стволовых клетках крови, поскольку они происходят естественным образом в живом организме.